A pilot-scale distillation column was controlled using the control system software, KDAX(kAIST Data Acquisition and Control System).
First, conventional PID controllers tuned by BLT and DCLR method have been tested.
Next, the control scheme proposed by Han and Park (1993) to deal with the nonlinear and multivariable distillation system, was applied to the control of the column. The controller has been realized by incorporating Hwang's (1991) nonlinear wave model into the conventional PID controllers. A nonlinear profile position observer has also been developed toestimate the profile position of the column section. The profile position controller is used for instantaneous control to prevent the propagation of disturbances to column ends. However, the offset from setpoint in product composition may occur when profile position of the column section is fixed at the specific point. Therefore, a composition controller is employed and cascaded as a primary controller to remove the offset.
As a result, the PID controller tuned by DCLR method performs better than that by BLT method for the system. And profile position controller shows a good performance compared to the PID controller in high purity operating condition.
The KDAX system is a monitoring and control system, and was developed by PSL (Process Systems Laboratory) at KAIST. It can offer not only the conventional Pid controller but also ACS (Advanced ControlStrategies). It has been developed based on Microsoft-windows®, and has several advantages such as multidocuments, OLE (Object Linking & Embedding), user-friendly graphic user interface, and network support via TCP/IP protocol.
The control and data acquisition performances with KDAX have been satisfactory and this study verifies its applicability to the real plants.
증류탑은 화학 공장의 대표적 분리공정 중의 하나로서, 에너지를 많이 소비하는 단위공정으로 분류된다. 그러므로, 증류탑은 원하는 specification에 잘 유지되도록 하며 에너지를 적게 소비하도록 제어되어야 한다. 그러나 증류탑의 독특한 특징인 복잡한 동특성, 심한 비선형성, 제어 루프간의 상호작용으로 인하여 two point control이 어려우며, 이런 제어기 설계가 잘 이루어지기 위해서는 이러한 증류탑의 성질을 잘 이해할 필요가 있다.
본 연구에서는 pilot 크기의 증류탑을 설치하여 화학 공정의 90%이상을 차지하고 있는 PID controller로 two point control를 수행하였다. 이 때, multi-loop control loop tuning method로 BLT와 DCLR 방법을 이용하였고, servo problem과 regulatory problem 각각에 대한 성능을 실험적으로 구하여 비교하였다.
한편, 비선형적인 다변수계를 취급할 수 있는 제어기가 제안되었다. 이 제어기는 이미 모사를 통하여 그 성능이 입증된 바 있는데 (Han, M., and Park, S., 1993) 그것을 조금 변형하여 실험적으로 증명하고자 하였다. 제어기는 고순도 증류탑의 profile position을 제어하는 것으로, nonlinear wave model을 이용하여 profile position을 estimate할 수 있는 nonlinear profile position observer와 conventional PID controller가 결합된 형태이다. 그러나 profile position이 탑내 어느 한 위치에 고정될 경우 원하는 제품 순도와 약간의 offset가 발생하므로 이를 제거하기 위하여 composition/profile position cascade system이 도입되었다.
여러 가지 제어 알고리듬을 사용하여 실험을 할 목적으로 제조된 증류탑 시스템은 몇 개의 A/D, D/A converter와 frequency counter등으로 구성되어 있고, 제어 hardware로는 ADAC 4000 series를 사용하였다. 제어 소프트웨어로는 한국과학기술원 공정시스템 연구실에서 개발한 KDAX(KAIST Data Acquisition and Control System)를 사용하였다.
화학 공정의 제어와 모니터링 시스템 구축을 위해 계속 개발되고 있는 KDAX는 기본적인 PID control뿐 아니라 고급제어기법(ACS, Advanced Control Strategy)을 수행할 수 있으며, 최근 PC의 OS(Operating System)로서 각광을 받고 있는 windows®-based로 개발되었기 때문에 user-friendly graphic user interface를 갖추고 있을 뿐 아니라 OLE(Object Linking \& Embedding), multidocuments를 제공한다. 또한 TCP/IP protocol을 이용, network으로 제어 및 모니터링을 수행할 수 있다.
이 실험을 결과로서, PID controllers 사용하여 multi-loop 2×2 system에 대해 적용하는 경우, DCLR method에 tuning된 PID controllers가 BLT method에 의해 tuning된 것보다 더 나은 성능을 보였다.
그리고, wave theory를 이용한 profile position controllers를 이용하여 servo problem과 regulatory problem을 효과적으로 해결하였다.
한편, KDAX를 통한 data acquisition과 여러 가지 제어 구조의 합성이 성공적으로 수행된다는 것을 보였고, KDAX의 산업 현장에의 적용 가능성을 보였다.
